Теоретическое исследование рН-зависимой регуляции электронного и протонного транспорта в хлоропластах (1104975), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Конформация частично оптимизированной системы A−1 близка кгеометрии исходной системы, онабыла использована в качестве базисноймодели для описания первой стадии окисления TMQH2.На рис. 9 показаны энергетические профили реакции переноса атомаводорода от TMQH2 к Nε атому имидазольного кольца His-155, рассчитанныедля трех конформаций модельной системы (модели A−1, В−1 и С−1).13Показанные энергетические профили описывают перенос атома водорода вдольпути наименьшей потенциальной энергии.
Эти пути были найдены путем«точечных» расчетов, полученных для различных положений атома водородамежду TMQH2 и His-155.Для частично оптимизированной системы А-1 энергетический профильимеет локальные минимумы, соответствуют координатам реакции RNε−H= 2,64 и1,05 Ả. Перенос атома водорода O−H···Nε → O···H−Nε идет с повышениемэнергии (∆E = 10,6 ккал/моль). Энергетический барьер реакции равен E af =25.4 ккал/моль.Придальнейшейоптимизациигеометриисистемы,сопровождающейся понижением энергии, водородная связь между атомами Н1 иNε становится короче. В то же время перенос атома водорода от TMQH2 к ISPстановится менее выгодным.
В системе В-1 реакция O−H···Nε→ O···H−Nε идет сповышением энергии ∆E = 18.6 ккал/моль, а энергетический барьер Eaf = 26,6ккал/моль. Для полностью оптимизированной системы (модель С-1) был найдентолько один локальный минимум энергии при RNε−H= 1,65 Ả, соответствующийковалентной связи атома водорода в молекуле TMQH2. Это означает, что вполностью оптимизированной системе перенос атома водорода от QH2 к His-155невозможен.Константа скорости и энергия реорганизации первой стадии окисления хинолаЗнание разности энергии ∆E для переноса протона от TMQH2 к ISPпозволяет оценить константу скорости для первой стадии окисления TMQH2.Скорость окисления хинола можно оценить в рамках подхода, предложенногоКрофтсом для вычисления константы скорости электронного переноса (kPCET),сопряженного с переносом протона (Crofts, 2004).
В этом случае константускорости kPCET можно оценить из уравненияlog10 k PCET = 13 −β2.303( R − 3,6) − γ( ∆G oET + λ ) 2λ− ∆pK ,(13)где R – расстояние (Å) между донором (QH2) и акцептором электрона (атом Fe1железо-серного кластера), β = 1,4 (Å−1), γ = 3,1 (эВ−1), ∆Ge (эВ) – разностьэнергий конечного и начального состояний для реакции электронного14переноса, ∆pK = ( pK QH − pK ISP ) – разность значений рК донора (хинол) и2oxакцептора (His155) протона, λ - энергия реорганизации (эВ).
Наши расчетыпоказали,чтосдостаточновысокойточностьюможноиспользоватьсоотношение ∆G oET ≈ ∆EET, где ∆EET – вклад электронной компоненты визменение потенциальной энергии при переносе протона от хинола к [Fe2S2]кластеру.Электронная компонента изменения энергии (∆EET) может быть выделенаиз полного изменения энергии ∆E = EQH*ISPred H− EQH 2 *ISPox с помощью соотношения∆EET = ∆E − 2.303RT ( pK QH 2 − pK ISPox ) ,где pK QH и pK ISP2ox(14)соответствуют значениям pK донора протона (QH2) и егоакцептора (His155). Для TMQH2 значение pK QH диссоциации протона в2гидрофобную среду (QH2 → QH− + H+) составляет величину pK QH = 10,7 (Rich,21984). Значение pK ISP = 6,5 взято из литературных данных по титрованию b6foxкомплекса из Chlamidomonas reinhardtii.oНа рис. 10 показаны зависимости log 10 k PCET от − ∆GPCET, рассчитанные дляразличных значений энергии реорганизации λи параметра R = 6.7 Å,соответствуещего расстоянию между атомом H1 молекулы QH2 и атомом Fe1[Fe2S2] кластера.
Из семейства парабол, рассчитанных по уравнению (13) дляразличных значений λ(рис. 10), можно выбрать кривые, одновременноудовлетворяющие кинетическим данным (log10kPCET = 2,44; горизонтальнаялиния), известным излитературы, и полученным нами теоретическимoзначениям − ∆GPCET. Анализ результатов наших расчетов показал, что хорошеесогласие с экспериментом может быть достигнуто при низких (λ1 ∼ 0,02-0,05 эВ)илиприотносительно(λ2 ∼ 1-2,8 эВ)высокихзначенияхэнергияхреорганизации. Абсолютные значения λ1 и λ2 зависят от конфигурации системыи от длины пути переноса электрона.Относительно низкие значения энергии реорганизации, определяемойизменениями парциальных зарядов на атомах модельной системы, былиполучены на основе классической теории Маркуса (Marcus, 1956).
Для оценкиэнергии реорганизации λ o была использована формула:15λo = (1ε0−1εsM) ∑ ( ∆q i ) 2 (i =1111+− )2a O 2a i Ri(15)Здесь ∆qi – изменение заряда на i-м атоме в результате переноса протона от QH2к His155, a O и a i – радиусы атома O1 молекулы QH2 и i-го атомасоответственно, εo и εs – оптическая и статическая диэлектрическиепроницаемости, Ri – расстояние между атомом O1 и i-м атомом. Показано, чтопри значениях εs в интервале от 4 до 10 энергия реорганизации λo попадает винтервал от 0,035 до 0,070 эВ.4.3. Квантово-химическое моделирование реакции окисления пластосемихинонаНа рис. 8 показана модельная система, использованная для расчетовизменений энергии на втором шаге окисления хинола (TMQH + b6L (ox) →TMQ + H+ b6L (red)).
Данная система включает в себя семихинон TMQH,низкопотенциальныйгемb6Lиближайшиеаминокислотныеостаткиполипептидной цепи В, окружающие гем b6L (His86, Arg87, Thr134, Gly135,Tyr136, His187). Карбоксильная группа Glu78 рассматривается как акцепторпротона, отдаваемого молекулой TMQH. Расстояние между атомом водорода Н2молекулы TMQH и ближайшим атомом кислорода карбонильной группы Glu78составляет 3,5 Å. Исходная геометрия этой системы была построена на основерентгеноструктурных данных для кристаллизованного b6f-комплекса (структураX−2). Структура, соответствующая частично оптимизированной геометриимодельной системы, обозначена как А−2.
Для этой системы нами было показано,что перенос протона от TMQH на депротонированную карбонильную группуGlu78 является экзотермичным процессом, характеризующимся значительнымпонижением энергии ∆E 2 = E(QH...E78) - E(Q...H·E78) = −20,4 ккал/моль.16Экспер.Теория32603270Магнитное поле (Э)Рис. 5. Экспериментальный спектр ЭПР (пунктирная линия) анион-радикалатриметилхинона, растворенного в диметилсульфоксиде, и расчетныйспектр того же радикала (сплошная линия).Cyt b6LFe2Fe1e−NεHis136e−H+H+His155TMQH2Glu78Рис.
6. Схема моделируемых процессов электронного и протонного транспорта.17Tyr159His136Cys134Fe2Fe1NδR N -HεNεCys152O2H1H2O1His155TMQH2Рис. 7. Строение модельной системы для описания первой стадии окисленияхинола.O1H2O23.5 ATMQHTyr136Arg87Glu78Gly135Thr134His187His86Рис. 8. Строение модельной системы для описания второй стадии окисленияхинола.18HQ...H∗ISPredHQH...ISPox70bEa60fEaЭнергия, ккал/моль5040∆ E1A-13020B-1100C-12.52.01.51.0RN-H, AРис.
9. Энергетические профили реакции переноса атома водорода от TMQH2 кNε атому имидазольного кольца His-155, рассчитанные для трехконформаций системы, моделирующей реакцию окисления пластохиноладо пластосемихинона (модели A−1, В−1 и С−1).19-1log10kPCET (с )X-1A-16λ (эВ)0.81.01.24λ (эВ)1.82.02.220.0480.040-0,6-0,4-0,20,00,2o-∆GPCET (эВ)oРис. 10. Графики зависимости log10 k PCET от − ∆GPCET, рассчитанные по уравнению(13) для различных значений энергии реорганизации λ при R = 6,7 Å.∆E, ккал/моль30TS20HQ...H∗ISPred10QH...bLox∆E10HQH...ISPox∆EΣ-10∆E2Q...H∗bLredРис. 11. Изменения энергии для двух шагов окисления TMQH2, вычисленные длямодельных систем A−1 и A−2.На рис. 11 приведены диаграмма изменений энергии для двух стадийокисления TMQH2, вычисленные для модельных систем A−1 и A−2.
На этойдиаграмме выравнены уровни энергии, соответствующие «продуктам» первойреакции (ISPredH...TMQH) и «субстратам» второй реакции окисления хинола(TMQH...Glu78· boxL ). Видно, что поглощение энергии на первом шаге окисленияTMQH2 до TMQH ( ∆E1 = 10,6 ккал/моль) компенсируется значительнымпонижением энергии на шаге окисления TMQH до TMQ ( ∆E2 = −20,4 ккал/моль).20Общее изменение энергии для двух шагов окисления хинола, полученное изнезависимыхрасчетовэнергийотрицательной величиной:конфигурацийA−1иA−2,является∆E Σ = ∆E1 + ∆E 2 ≈ −9,8 ккал/моль.
Отметим, чтовычисления ∆EΣ относятся только к первичным стадиям окисления хинола(перенос атома Н), которые не учитывают дальнейших изменений системы,связанных с возможными конформационными перестройками и последующейдиссоциацией в водную фазу протонов, перенесенных на аминокислотныеостатки His155 и Glu78.Эффективная константа скорости двухэлектронного окисления хинола дохинона ( kQH ) была рассчитана в рамках простой схемы, включающей две2последовательные реакции переноса атома водорода:LISPox ⋅ ⋅HQH ⋅ ⋅b ox←k1L k2L→ ISPred H ⋅ ⋅QH ⋅ ⋅b ox→ ISPred H ⋅ ⋅Q ⋅ ⋅b redHk −1(16)Константа скорости k −1 обратного переноса протона от ISP на семихинонсвязанасконстантойскоростипрямойреакцииk1соотношениемk −1 = α ⋅ k1e ∆G1 / k BT .
Поправочный коэффициент α ≤ 1 введен для учета влиянияoконформационной подвижности ISP на вероятность обратного переноса протона(HQ…H·ISPred → HQH…ISPox). Эффективность полного окисления хинола дохинона вычисляли по формуле:ok QH 2 / k1 = 1 / (1 + α ⋅ e ∆G1 / k BT k1 /k 2 )(17)Расчеты отношения kQH / k1 , вычисленного для значений параметров2∆G1o = 10,7 ккал/моль (модель A−1) и k1 = 280 с−1 при различных величинахпоправочного коэффициента α, показали, что при медленной диффузии ISP( τ 1 = 1 / k1 << τ diff , где τ diff - характерное время смещения ISP от Qo центра кцитохрому f) эффективное окисление хинола ( k QH / k1 ≥ 0,5) может происходить2только при условии k 2 ≥ 1010 с−1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
